英国桑德兰大学顶刊丨现代金属增材制造技术研究综述

如今，现代增材制造技术可用于制造各种材料的产品，例如金属、聚合物、陶瓷和复合材料。其中，可以说，金属增材制造(MAM)对各个行业的影响最为显着。例如，在医疗领域，最近MAM已成功用于打印许多手术用钛植入物。在航空工业中，用于构成波音777×GE9X发动机热交换器组件的300个部件已减少为一个部件，重量减轻40%，成本降低25%。SpaceX还将其SuperDraco发动机的生产时间以及猛禽发动机的重量减少了40%，NASA将很快用MAM零件更换航天飞机的主发动机，以便也减少生产时间和重量。在建筑行业，MAM最近被用于制造世界上第一座由308LSi奥氏体不锈钢(SS)制成的印刷金属桥，该桥横跨阿姆斯特丹德瓦伦的OudezijdsAchterburgwal运河10.5m。由于诸如此类的案例研究和快速增长的报告，增材技术的形象显着增加，导致更加强调其产生可靠和可重现的机械性能的能力。

因此，已经确定了关于不同失效模式的各种共同限制，例如低塑性和疲劳性能降低等。其中一些归因于高残余应力(RS)、表面粗糙度、未熔合(LoF)、高孔隙率、收缩和变形等缺陷引起的微观结构不连续性。还有证据表明，这些缺陷背后的机制与金属部件在打印过程中经历的复杂热作用有关，例如快速加热、冷却和凝固，导致微观结构和机械性能与传统生产的不同。同样，人们也认识到工艺参数会显着影响这些缺陷的普遍性，其中一些参数包括层厚度(LT)、构建方向、输入功率、跨度速度、舱口间距、填充和扫描策略等。然而，重要的是要注意，与在很长一段时间内产生一致性能的成熟金属加工技术不同，对MAM加工、结构和性能之间关系的类似理解仍未得到充分发展，这是其中之一添加剂技术中最紧迫的研究问题。尽管存在这些具体挑战，但在某些情况下，MAM非常适合各种应用程序，与TM流程相比具有明显的技术优势。例如，铸造或加工产品的成本与其复杂性成正比。具有尖锐内角、空腔或薄壁的特征可能需要更多的工艺操作和不同的工具，从而导致生产时间增加。同样，当需要严格的公差或良好的表面光洁度时，复杂性也会增加。相比之下，逐层添加材料以创建3D零件意味着MAM不受相同的限制，这就是为什么它经常被描述为一个没有复杂性的过程。然而，一些人认为随着复杂性的增加，打印时间和所需材料的数量也可能增加。相反，有人建议首选复杂性会更合适。这意味着MAM最适合具有复杂几何特征或内部晶格型结构的组件，类似于骨骼的多孔内部等天然材料。这样，只需在结构上需要的地方分配材料，就可以显着减少零件的质量，从而减少所需材料的数量，减少打印时间。

众所周知，某些合金可能难以用传统方法加工。例如，众所周知，大多数镍基高温合金难以加工，因为它们容易抵抗剪切力、张力和压缩力。高镍含量往往会导致工件硬化，从而显着增加切削压力，导致变形并最终导致刀具磨损。MAM能够在不使用昂贵工具的情况下打印许多这些难以加工的材料，特别是对于具有内部流体通道的复杂部件，例如热交换器。除了几何优势外，MAM还被证明可以通过消除TM技术固有的工艺步骤来减少生产时间。使用MAM时，粉末、线材和其他原料通常是现成的，可以立即装入打印机。这与铸造工作流程形成对比，在铸造工作流程中，原材料必须在浇注熔融金属之前进行熔化、精炼和保存。通过打印近净形(NNS)部件，即几何形状尽可能接近最终设计的部件，还可以消除设计、分析和制造工具、夹具、图案和模具的需要，以及CNC加工的副产品，例如金属屑。然而，在大多数情况下，打印部件需要某种形式的后处理，例如机加工，以去除构建板和支撑结构并改善公差。可能还需要其他工艺，例如热脱脂和烧结，以溶解残留的细丝并实现致密化。为了定制打印部件的机械性能，可能还需要进行后热处理，例如热等静压(HIP)、时效或退火。专门为MAM美安萌开发了多种材料。其中包括铝合金、不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴合金和难熔合金等；它们的商业可用性，以及它们的机械性能，在整篇文章中都有概述。粉末材料是最常用的，尽管在某些情况下也使用线材是的；这两种材料都经过熔化或烧结处理，然后使用激光、电子束或加热喷嘴等能源进行固化。一般来说，MAM工艺根据ASTM/ISO52900:2017分为七大类：材料挤出(ME)、粘合剂喷射(BJ)、粉末床熔融(PBF)、定向能量沉积(DED)、片材层叠和光固化3D成形技术(VP)。在这七个过程中，只有四个与金属有关。

     

     

图 定向能量沉积(DED)示意图

最近，研究工作显着增加，以加速MAM的发展。然而，大多数出版物分散在各种期刊、报告和各种其他来源中。由于这个和其他因素，该行业严重缺乏经验。技术人员可能对这些主题中的一个或多个有一些了解；然而，很少有人对所有这些主题都有全面的了解。因此，公司获得专业知识的机会有限，无法利用MAM的优势。为了使MAM得到广泛采用，有必要克服劳动力中目前存在的对添加剂技术的有限基础理解。为了让决策者充分了解MAM的优势和劣势，技术专家需要对其能力和局限性有透彻的了解。因此，具有最新和经验证据的单一参考来源将有助于支持学术界和工业界填补这一空白。鉴于此，定期审查当前的研究理解和需求至关重要。虽然有许多关于MAM的优秀和详细的评论论文，下面将对其进行简要讨论，但重要的是要记住，这个行业正在迅速发展，并且经常会出现新技术和新发现。因此，几年前的综述论文已经过时是很常见的。还有一些仅关注特定主题，例如缺陷、工艺参数、优化方法和机械性能。鉴于这些因素，与传统方法相比，评估MAM的优势和局限性通常具有挑战性。

因此，这篇评论文章概述了当今最常用的MAM技术的工艺特征，并概述了它们的机械性能以及许多TM方法的参考值。作为本次审查的一部分，对每个MAM分类的当前知识库进行评估，以确定未来研究存在哪些机会。因此，当前工作的科学贡献和新颖性是对技术现状、文献空白以及有利于MAM未来扩展和进步的研究需求的深入回顾。同样，目前的工作与其他评论文章不同，因为与TM相比，它还提供了关于MAM可持续性证书的独特视角。这是通过提供该领域最新研究的广泛证据来实现的，包括为各种MAM技术打印1千克材料所需的比能耗(SEC)以及提高打印金属部件能效的框架。由于对MAM的过程特征和环境影响进行了全面考察，本文从整体角度对其进行了深入了解，这对于首次接触该主题的研究人员和技术人员尤其有价值。

表 不同材料力学性能对比

     

     

     

     

     

本文全面回顾了四种MAM技术，即ME、PBF、BJ和DED，包括它们的最新成果。概述和讨论了当前技术发展水平在未来发展方面的主要挑战和考虑因素。然而，值得注意的是，其他基础主题，如流程标准化、数据采集、新材料、经济学、伦理和社会问题等对MAM的进步也很重要，本文有意省略并保留更多重点研究。总的来说，这项工作提供了MAM这一领域中一些最相关主题的当代总结，旨在对实践工程师、技术人员和研究人员特别有用。

现代MAM技术已成为制造业中最具创新性的技术之一。与TM技术相比，它可用于制造复杂且轻便的结构，否则制造成本太高且耗时。它还提供了其他优势，例如无需昂贵工具即可整合大型组件和创建NNS组件的能力，以及通过应用拓扑和材料优化技术等DfAM方法进一步提高其效率的选项。作为一个行业，由于硬件和软件以及冶金技术的发展，它已经从原型制作发展到现在生产高级产品。科学界越来越多的关注和近年来的增长速度也表明，MAM可以在促进向下一次工业革命的过渡以及为工业提供大规模生产金属产品的替代方法方面发挥重要作用未来。然而，仍有一些改进的机会，包括在实现这一目标之前需要克服的几个技术挑战。例如，尽管所有MAM工艺都证明了它们能够生产出与锻造工艺相当、有时甚至更好的机械性能的部件，但在打印过程中仍有许多变量可以调整，每个变量都会对部件的性能产生一定的影响最终特征。正因为如此，考虑到以逐层方式将金属颗粒融合在一起所涉及的复杂热过程，确定参数的最佳组合以改善一种性能而不会对其他性能产生不利影响可能具有挑战性。由于这是一种不同于任何其他制造方法，因此优化整个过程以获得特定零件特性可能是一项具有挑战性的工作，以满足经常相互竞争的设计要求。

尽管科学界在理解大多数这些重要参数对表面特性、公差和缺陷（如孔隙形成、RS、微观结构等）的影响方面取得了重大进展，但该行业仍远未达到能够以与传统方法相同的方式打印具有可靠和可重复机械性能的金属部件。虽然这些具有数百年历史的技术，如铸造、锻造、车削和铣削，随着时间的推移不断完善，但重要的是要记住，MAM是一项相对较新的技术，仅存在大约40年。因此，尚未建立相当规模的知识库。然而，未能定义这些关系将对MAM制造始终如一的高质量产品的能力产生不利影响，使其作为一种大规模生产金属零件的方法在经济和技术上都不可行。

虽然继续努力提高印刷产品的质量，但一些更广泛的方法 会有所帮助。一个例子是根据加工-结构-特性关系之间关系的最新知识开发简明指南或基准测试策略集，以帮助用户选择参数以最大限度地降低常见缺陷的风险。特别是，那些刚接触添加剂技术的人将从这种临时方法中受益。

目前，有证据表明某些技术可以减轻与MAM相关的一些缺点。一个例子是正在开展的工作，以提高闭环自主控制系统的现场和预测监测能力。这一领域的进展将有助于模式识别程序在流程的早期检测常见缺陷，从而显着提高生产率。然而，迄今为止开发的许多技术仅涉及监控过程，而不是识别过程参数和材料不连续性之间的相关性。虽然这些技术仍处于发展的早期阶段，但目前处理来自多个传感器的大规模数据以识别模式的困难可能是创建智能控制系统的最重要障碍之一。机器学习在这个领域有相当大的前景；然而，相关的计算成本目前过于昂贵。另一种最近显示出一些实际好处的缓解技术是HAM的开发，它结合了MAM和TM过程。这些机器通过显着减少冶金缺陷的数量显示出前景。因此，这些技术可以大大减少对劳动密集型和手动后处理的需求。已经开发出多种HAM机器，但仍需要做更多的工作才能充分了解它们的价值以及该技术对行业的影响。一个例子是切削液对开裂频率的影响。还有其他值得进一步研究的因素，包括HAM较长的加工时间及其在加工难加工合金方面的潜在局限性。然而，更重要的问题是目前很少有人拥有操作和编程HAM机器所需的知识和专业知识。